简易轮廓测量装置的设计

简易轮廓测量装置的设计学生姓名：指导教师：
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
目录 (Ⅲ)
表列 (Ⅳ)
图例 (Ⅴ)
第一章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2轮廓测量仪在国内外的发展 (1)
1.3轮廓测量装置的分类和构造···························
1.4课题的背景及研究的目的和意义·······················
1.5本课题研究的内容···································第二章简易轮廓测量装置设计总体方案
2.1原则制定及规划
2.1.1方案的制定原则
第一章绪论
1.1引言
轮廓测量仪是测量各种机械零件素线形状和截面轮廓形状的精密设备。

当今信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。

著名科学家钱学森先生曾指出：“信息技术包括测量技术、计算机技术和通讯技术。

测量技术是关键和基础。

”采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向。

非球面轮廓测量是制作非球面镜过程中的一项关键技术。

传统的测量方法对镜子的放置有极严格的要求。

镜子中心与探测头零点间微小的偏移，镜子轴线与测量仪旋转平台的不垂直等因素都会造成很大的测量误差；测量时提供的镜子的曲率半径与实际镜子的曲率半径往往有很小的偏差，也会影响测量结果；另外，在实际工程应用中发现，轮廓仪的零点会在某一极小的范围内波动，这一因素在三维轮廓的测量中造成的误差会直接影响测量结果的重复性。

对位置放置所造成的误差，传统的方法是在测量过程中尽可能地调整镜子中心位置与探测头零点相一致，然后对测量结果做去倾斜处理。

这一方法在精度要求不高的测量过程中可勉强应用，但这一方法在每次测量时，都要花大量时间来调整镜子，且因为镜子中心与探测头中心不可能严格一致，所以测量精度不能达到很高。

对衄率半径不准确这一点，实际应用中经常的做法是人工调整这一半径，由主观判断来找到一个合适的曲率半径。

这一方法不但增加了测的时间，同时使测量结果带有一定的主观性。

对轮廓仪的零点会在某一极小的范围内波动这一点，普通的轮廓测量中都会忽略这一误差，但随着测量精度的提高，这一误差是不可忽略的。

在某些高精度的测量仪中，采用每次测量前重新校正零点的方法来提高测量精度，但这一方法显然会增加测量过程的复杂性。

为解决上述问题，本文对接触式非球面轮廓测量仪进行了较为全面的误差分析，以确定上述因素会造成什么样的测量误差；在此基础上，在X轴和Y轴方向采用极坐标形式，避免了单独测量X轴和Y轴的时安装的垂直度影响的误差。

1.2 轮廓测量装置在国内外的发展研究现状
它是以1968 年美国J.B.P.Williamson 首次推出三维表面触针式轮廓仪[1][2]。

近二十年来，随着微电子技术、计算机技术、光学技术、传感器技术、信号分析和处理技术的飞速发展，基于各种原理的测量仪器纷纷面世，其测量范围小至亚纳米，大到毫米级，这主要表现在以下几个方面[3]：（1）传统的触针式仪器朝着高分辨率、大量程方向发展；（2）非接触式光学测量方法得到迅速发展，光学探针仪器、相移式扫描干涉显微镜、光外差干涉测量仪等相继出现；（3）扫描隧道显微镜、原子力显微镜的出现和发展使表面检测突破了传统的局限，实现了原子级尺度的检测。

根据测量原理的不同，表面测量技术基本上可以划分为以下三类：接触式测量方法，光学测量方法和非光学式扫描显微镜测量方法。

根据测量原理的不同，表面测量技术基本上可以划分为以下三类：接触式测量方法，光学测量方法和非接触式测量。

随着现代科学技术的飞速发展和对测量方法的深入研究，在机电行业中人们对三维坐标测量技术的要求也越来越高。

物体的三维轮廓以及形位测量已被广泛应用于机械制造、航海、航空航天、反求工程等领域。

目前物体三维轮廓测量的主要方法有导轨式三坐标机的高精度接触测量、激光点扫描和激光线扫描式三坐标轮廓测量、激光散斑物体轮廓高精度显微全场测量。

在这些诸多的测量方法中，激光散斑物体轮廓测量法测量精度最高，属非接触和全场测量，测量速度高，但其测量范围小。

此外，三坐标机的测量精度高，已被广泛采用。

但它只能进行接触测量，并且测量速度很慢。

目前，三坐标机主要有两种:导轨式三坐标测量机和无导轨式三坐标仪，无导轨式三坐标测量仪在国内尚无同类产品问世。

三坐标测量机的多功能测量台是一种高精度测量台。

可同时装夹两只测量表或传感器对工件进行多参数测量。

三坐标测量机广泛的应用于机械零件加工，模具制造等个方面。

目前，我国的光学非接触表面轮廓测量技术的主要优点是在垂直方向上有0.01 纳米级分辨率，
能用于测量非常精细的表面，如光学镜面、激光陀螺镜、金刚石车削镜面、软磁盘面、磁头等反射率大于1%的表面，然而它们的垂直测量范围受入射光波的限制，一般为几个微米。

相移干涉仪的横向分辨率和扫描范围取决于所用物镜的放大倍率和CCD 面列阵的像素间隔。

差分干涉仪和外差干涉仪采用机械装置驱动扫描，其扫描范围较大，可以达到与触针量仪相当的范围，采用干涉法时必须考虑两个问题：
[1]、在测量范围内光学常数不能变化，因为光学常数变化会引起干涉仪的相位变化而产生表面高度误差。

[2]、被测件表面的反射系数必须认真考虑，如测塑料、玻璃表面，参考表面应有相对小的反射系数，因此，需要改变参考面以满足具有不同反射系数被测表面的要求。

近年来英国在NPL 的Nanosurf 与Talystep 的基础上研制成功了Nanostep 型测量仪[4]，其垂直分辨率可达到0.03nm，放大倍率为500～2000 万倍。

测量范围0.1nm～10μm，仪器工作范围为50mm,工作台移动速度0.5～0.005mm/s。

工作温度-20～70 摄氏度。

如此高分辨率的仪器其关键已转向温度影响与外界干扰，因此仪器采用了温涨系数为零的玻璃陶瓷，并在结构上采取了措施，减小隔离驱动部分带来的振动影响，这是当前机械触针式仪器的最高水平。

法国的M.Chuard 等人提出了一种扩大经典轮廓仪测量范围的方法[5]，并按此原理研制出一种自适应浮零位轮廓仪。

该方法采用步进电机和丝杠（最小步距为1μm）控制触针的上下，从而可扩大仪器的测量范围。

也可利用该机构控制测量力的大小，当采样值超过某一设定值就通过步进电机使测头上抬，从而减少测量力。

但由于受步进电机的性能（如失步）影响及步距过大，因而测量力的控制效果受到影响，尽管轮廓仪量程得以扩大，但精度不是很高。

华中科技大学机械工程学院仪器系在2003 年研制出一种适用于工程表面形貌测量的大量程微恒力位移传感器[12]。

该传感器由电感和音圈电机构成。

利用音圈电机瞬变响应好、工作频率及控制精度高、噪声低、没有传动机械的磨损等优点来扩大传感器的量程，而系统测量所采用的标准量仍是高精度的电感传感器。

为保证该位移传感器的测量力能得到控制，设计了一种由音圈电机、信号处理电路以及PID 反馈控制校正网络组成的测量力控制系统, 提出了采用提升方法来保证传感器的高精度。

使电感传感器工作在最小3μm 的量程范围内，当传感器超出该量程，则调整加在音圈电机上的电压，使音圈电机上升或下降，从而可以使测量力减小，而传感器的位移通过提升算法得到，使量程得以扩大。

1.3 简易轮廓测量装置的分类和构造
日本三丰QV系列影像测量仪，非接触三坐标测量机CV-3100系列轮廓测量仪
非接触式测量机关节臂式坐标测量机
1.4 课题的背景及研究的目的和意义
实体表面是实体与周围介质的分界面。

表面形貌是指零件加工过程中，在零件的被加工表面上残留的各种不同形状和尺寸的微观峰谷和凹谷。

它不仅对配合性能有很大的影响，而且对许多非配合，非接触性零件的使用性能也同样有重要影响[6]。

其外在特性在幅度、空间及表面形成等方面的特征支配着它在许多工程方面的使用性能，如磨损、磨擦、润滑、疲劳、密封、配合、反射、涂层、导热、导电、支撑、光学特性等等。

此外，由于它是随着加工工艺过程形成，故对工艺过程状态变化非常敏感，如刀具磨损、切削用量变化、机床振动以及加工操作、表面处理等工艺因素都会引起表面形貌的变化。

表面形貌是三维的，表面轮廓是形貌的一部分。

因此，从工程应用出发，对表面形貌或表面轮廓进行检测、分析，不仅是研究它与使用性能关系的基础，也是正确识别、监视控制其形成工艺过程的依据。

表面特征是控制机械零件表面质量的主要内容，表面特征一般分为粗糙度、波度、形状误差和尺寸误差4个主要方面。

一般粗糙度的表面波长为2um-800um,幅度为0.05um-5um；波度的表面波长为250um-8mm，幅度为1um-20um。

从生产发展的历史来看，准确地测量和评定表面特征，不但能正确地识别出加工过程中的变化和缺陷，而且对控制和改进加工方法，研究表面几何特征与使用性能的关系，以及提高加工表面的质量和产品性能都有着重要的意义[7]。

近一个世纪以来，人们对于表面形貌测量技术的研究有了长足的发展，测量仪器和测量方法也日益增多，推动了表面测量技术的一次次飞跃.
§1.4 本文的主要研究内容
通过对表面测量技术的回顾和比较，可以看出触针式仪器和聚焦探测式仪器是用于工程表面形貌测量较为有效的方法，两者共同的特点是垂直与水平测量范围较大，动态比率较高，能够综合测量工件表面的形状误差、表面波纹度和表面粗糙度信息，以便评估三者之间的关系及其对工件表面性能的影响。

但在实际应用中，需测的工程表面是极为多样化的，不同类型的表面可能需要不同的测量方法，触针仪器和光学探针式仪器都存在着各自的局限性，应用领域各不相同。

因此能否研究一种价格较低，同时具备有接触与非接触两种功能且非接触测量方法较为成熟的表面计量仪器，显然有着十分重要的应用价值。

1．将触针式传感器用于测量Z轴方向的位移，水平方向x轴采用直线导轨，被测物体放在一个按角度旋转的工作台上。

根据转过的角度可以得出Y轴的坐标。

此方法机构简单，减少Y轴方向用的传感器，用极坐标计算Y轴方向的坐标。

第二章简易轮廓测量装置
的设计总体方案
对两种方案的几项指标（如测量头对被测物体的压力）进行相应对比，从而得到较符合的总
体方案，为后续的设计提供一个全局性的指导。

2.1 原则的制定及规划
2.1.1 案的制定原则
其选择原则如下：
1、合理的测量精度
坐标测量机是检测工件尺寸与形位误差的仪器，首要的是精度指标应满足用户要求。

选用时，一般可根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比，看测量机精度是否符合要求。

精度比对不是一个简单的比较过程。

测量机的技术规范中一般只给出单轴测长和空间测长的两个不确定度公式及重复精度值。

但在具体测件时需要将被测参数的测量不确定度限制在一定范围内。

一般测量时，要测量很多测点。

在形位测量时，更有大量测点参与并带来测量误差，精确计算是很难的。

因此从经验出发，在一般测量中，测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/5～1/3。

例如某一被测箱体上二孔的孔距为500mm，公差带为15um，则所选用的测量机在500mm长度上的测量不确定度应不大于3um～5um。

对于精密测量及复杂的形位测量要求还高，一般应为被测尺寸公差带的1/10～1/5。

重要的是重复精度必须满足要求，因为系统误差还可以通过一定方法补偿，而重复精度应由测量机本身保证。

2、合乎要求的测量范围
测量范围的选择时选择测量机时的最基本参数。

因为在测量范围内才能获得精确的测量值，超出了范围，测量就难于进行。

选择测量范围时，应考虑以下几个方面。

（1）、工件的所需测量的部分，不一定是整个工件。

如要测的部分集中在工件的某个局部，除了测量机的测量范围能覆盖被测参数之外，还要考虑整个工件能在测量机上安置，要求工件重量对测量精度不带来显著影响。

为了把工件放入测量机中，应根据工件大小选择测量机。

（2）、Z轴与Z向空间高度的关系。

Z轴行程是Z轴的测量范围，而Z向空间高度是工件能放得下的高度。

（3）、接长杆的问题。

有的测头上有星形探针，这些探针在测量时往往要求超出工件的被测部分。

一般工件尺寸为l时，要求测量范围L=l+2C，C为探针的长度。

因此测量范围等于工件被测的最大尺寸再加上两倍的探针长度。

3、合适的测量机类型
测量机按自动化程度分为手动（或机动）与CNC自控两大类。

选用时，应根据检测对象的批量大小、自动化程度、操作人员技术水平及资金投入大小去权衡。

当然CNC测量机水平高、测速快，但测量的准备时间长、技术要求高、资金投入大。

故应从经济效益的角度进行比较判定。

一般说，对于中等尺寸的工件，多采用移动桥
式；对于小型工件，多采用悬臂式、仪器台式与移动桥式等；对于大型工件，则多采用龙门式；对于需回转测量的工件，可选用带分度台的测量机。

4、符合要求的测量效率
测量机运行速度与采样速度既是测量机效率高低的重要指标，又与自动化生产的要求密切相关。

用于生产线或柔性加工线上的测量机，检测的时间必须满足生产节拍的要求。

5、功能齐全的测量头
测量头是测量机上重要的传感器件。

它不仅直接影响测量精度，而且是决定测量机功能和测量效率的重要因素。

6、科学性
任何设计方案必须满足现行的设计方案，满足相关的设计课程，如果设计人仅凭自己的想象设计，那必然会出现于客观实际脱节的情况。

7、可行性和可靠性
满足使用功能是设计方案所具备的首要条件。

设计人把握好两方面的因素：一个是与项目相关的外部因素，一个是项目内部因素。

外部因素包括：设计方案不能与国家规范想冲突。

内部因素包括：仔细研究轮廓测量装置的使用功能和运行特性，确定合理并规范的设计参数，计算准确、清晰并且格式规范。

6、满意的经济效益
作为检测仪器，测量机的经济效益是投资购买的一项重要指标。

虽然它不像生产机床那样便于计算，也不如机床那样可以较快地收回成本并创造效益，但作为保证生产质量的手段和环节，检测仪器有着特殊的重要性。

测量机的使用费用，主要取决于测量机的折旧费K、检测人员的工资G、测量所用的时间T及辅助材料和设备等杂费Q，即测量总费用。

M=T（K+G）+Q
测量机效益的关键在于使用时间T。

因此在考虑测量机资金的投入时，关键在于了解它的使用效率。

如果使用效率高，则经济效益亦高。

如果使用效率不很高，而又易于在当地解决测量问题，则应委托或协作检测。

只付检测费，比购置一台测量机更经济。

当然有的场所，测量对象极为精密，不适宜搬动，有的系军工保密件等，此时配置一台坐标测量机具有特殊性，也是必须的。

经济性往往是建设单位最关注的因素，也应该是设计者认真考虑的使用特性。

经济性和其他因素综合考虑来进行取舍。

2.1.2 三坐标测量机测量原理
CLY系列单臂三维测量仪产品信息产品说明： CLY系列单臂三为测量仪是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者。

冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。

由于采用开放式测量，从而保证了在现场、在模具制造和仿型、在部件检测和设计室里都可以方便的使用。

图1-1CLY单臂三坐标测量机
在Y、Z方向，其整机测量范围在1500mm x 2600mm以内、X向测量范围最小为2000mm、并以500mm 为间距递增的整体式测量机，采用整体式机械结构，测量机的工作平面通过地脚螺铨固定在地基上，其工作台表面略高于地表，或是安装为与地表齐平，便于大型工件的装卸。

这种类型的测量机的Y向测量范围有两种，1200mm 和 1500mm，其Z向测量范围最小为1500mm，最大可以达到2600mm，X向测量范围最小为2000mm，可以按用户要求以500mm的长度适量增大。

大中型整体式单臂三坐标测量机比较适宜对一般大型非对称工件的测量检测与划线操作。

测量机可以根据使用要求，选配WINCOM测量软件或XDmis测量软件。

如果被测工件为一般机加工件，测量要求为一般性的尺寸检测，可以选用WINCOM测量软件。

如果检测任务大部份需要与CAD数据
协同比对检测，建议选择XDMIS测量软件。

2.2.3 三坐标测量机的组成：
1，主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）；
2，测头系统；
3，电气控制硬件系统；
4，数据处理软件系统（测量软件）；
2.2.4三坐标测量机的结构特点：
1）采用花岗石为工作台，其工作面平面度精度高，且稳定性好，受环境温度影响小。

2）立柱采用不锈钢材料，可防锈，抗腐蚀。

3）采用精密微分头作微调装置，使测头接触工作的微调量0.01mm。

4）回转支杆(附件另配)可提供装夹第二只测量表（或测量传感器），从而可扩大本产品的使用功能。

5）X轴移动方向的导轨采用天然花岗岩，并配备进口双直线导轨，三轴位移传感器采用进口金属反射光栅和读数头，结合空间误差修正技术，使用中处处体现高精度的3D测量。

2.2.5 设计要求
在绘制产品总装图和部件装配图时要注意设计的科学性和条理性。

设计一个部件，其过程大致如下：首先，确定末端执行件的概略形状尺寸，然后，设计末端执行件与其相临的下一个功能部件的结合的形式与概率尺寸。

若为运动导轨结合部，则执行件一测相当于滑台，相临部件一测相当于滑座，考虑导轨精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。

根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程，直到基础支撑件。

在设计中，处处从实际出发分析和处理问题是至关重要的。

从大处讲，联系实际是指对工艺可能性的分析，在参数拟订和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势，更应了解我国的实际生产水平，使设计的机器能发挥最佳的效果。

从小处讲，指对设计的机械零部件的制造工艺、装配和维修要进行认真的切实际的考虑和分析。

学会使用设计手册，对推荐的设计数据和各类标准要结合实际情况取舍。

通过设计实践，了解和掌握结合实际、综合思考的设计方法。

2.1.6 方案设计的规划
产品的方案设计一般包括如下几个步骤：
（1）信息获取：是在市场调查、需求分析的基础上，获取产品设计的原始数据和设计约束。

本课题研究的是接触式轮廓测量装置，该装置的整体造型和各部件的外形尺寸通过测量得到。

（2）问题识别：是对所获取的原始数据和设计约束进行深入地分析，明确问题类型，确定设计目标和
产品的总体功能，并进行功能分解，得到一系列的功能元。

课题的研究内容就是将接触式轮廓测量装置设计成X轴、Y轴采用极坐标的形式。

对测量头压力进行相应研究，包括：合理采用测量Z轴位移的测量形式。

从而达到设计要求。

在这个过程中会先进行总体设
（3）形成设计方案：设计方案是指产品的原理方案计，计算和估算整体质量，确定合适的位移测量装
置，然后再合理设计各个部件。

方案的设计是从功能元求解开始的，功能元的求解就是获取实现功能元的具体方案。

其结果是获取多组与每个功能元对应的分系统方案，每一组方案的组合就构成了一个产品
设计方案。

所有产品设计方案组合在一起就组成了产品设计方案的集合。

因而产品方案设计是一个多目标、多层次、多方案的设计问题，是一个复杂的决策问题。

它是基于问题的识别和专家的设计知识、设计和设计实例的创造性过程。

首先进行总体设计，确定轮廓测量装置的中心位置，其次进行载物台的受力计算，得到相应的测量装置测量速度和步进电动机型号。

再次就是进行制动性和机动性计算，最后进行稳定性分析。

总体设计结束后便开始各个系统的设计。

而对于本文来讲其主要工作是设计轮廓测量装置的结构，包括：电动机、传动部件、测量位移的传感器的的排布，支架的相关改造以及一些重要装置的设计和安放。

2.2 设计任务和内容
设计任务定位三坐标测量机整体结构的设计，其中机械部分的设计工作台包括纵向、横向和Z轴的运动，工作台承担运动功能。

其次是夹具体的设计，包括手柄、浮动滑块的设计，夹具承担的是定位夹紧的作用。

2.3 总体设计方案拟订
方案拟订为测量机整体结构的设计其中主要是测量机的传动系统：工作台的横向和纵向旋转运动，Z轴的进给系统，工作台上面叠加一个可拆卸的夹具体，可拆卸夹具具有两大优点：第一，使用时夹具可固定在工作台上，不用时，即可拆下。

2.3.1 三坐标测量机机械部分设计
三坐标测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计，可分为创新设计、变形设计、和组合设计三大类型，设计的过程随设计类型而不同，其中创新设计的过程最典型，可分为产品规划阶段、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。

产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定设计技术任务书。

初步设计方案具体化，技术设计阶段是将方案设
计阶段拟订的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计；进行结构设计；通过技术经济分析，选择较优的设计方案。

1）确定结构原理放案
根据初步设计方案，再充分理解原理的基础上，确定结构原理方案。

其中包括决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据等，决定和限制结构设计的空间条件，。

在上述的依据约束下，对主要功能结构进行构思，初步确定其材料和形状，
进行粗略的结构设计。

（2）总体设计
总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化。

总体设计的内容大致包括主要结构参数、总体布局、系统原理图、其它。

（3）结构设计
结构设计阶段的主要任务是在总体设计的基础上，对结构原理方案结构化，绘制产品总装图；提出初步的零件表及装配说明书。

进行结构设计时，必须遵守有关标准规范，充分考虑人机工程、外观造型、结构可靠和耐用性、加工和装配工艺性等。

三坐标测量机常见的是二个直线运动坐标（沿X、Z）、一个旋转运动（沿Y）和夹具体的装配设计。

2.3 主要参数的设定
直线工作台面尺寸（长×宽×高）：1000
×800×40；
纵向工作行程为200mm，横向工作行程为200mm，垂直方向的工作行程为200mm。

光杠的最大距离根据夹具的尺寸确定。